CN105690915A - 一种纤维金属层合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
为克服现有技术中纤维金属层合板内金属层与预浸纤维布之间的结合力弱的问题，本发明提供了一种纤维金属层合板，包括层叠的金属层和预浸纤维布；其中，所述金属层和预浸纤维布之间还具有嵌入颗粒，所述嵌入颗粒同时嵌入所述金属层和预浸纤维布内。同时，本发明还公开了上述纤维金属层合板的制备方法。本发明提供的纤维金属层合板内金属层与预浸纤维布之间的结合力强。
Description
技术领域
本发明属于纤维金属层合结构复合材料制造技术领域，尤其是涉及一种纤维金属层合板及其制备方法。
背景技术
铝合金材料具有较低密度和较高的强度和抗冲击性能，并且具有良好的可加工性成本也较为低廉。因此自从二十世纪三十年代初就被广泛应用于航空航天领域。然而铝合金材料具有一些局限性例如较低的疲劳寿命和抗腐蚀性能限制了其进一步的应用价值。而二十世纪四五十年代发明的玻璃纤维和碳纤维复合材料具有很高的比强度和比刚度，并且具有良好的疲劳特性和耐腐蚀性，然而这种层叠复合材料面外横向强度和抗冲击性能较差，并且层间结合面容易产生脱层。为了同时克服铝合金材料和纤维复合材料存在的一些缺点，在二十世纪七十年代末，由荷兰代尔夫特理工大学研制出了金属材料与纤维复合的纤维金属层合板材料，即纤维金属层合板。
纤维金属层合板是一类新型的混杂增强结构复合材料，国际上统称为FML(Fiber-MetalLaminate)层合板，其典型代表是铝合金-芳纶纤维叠层复合材料层合板，国际上称为ARALL(ARAamid-ALuminumLaminate)，以及铝合金-玻璃纤维叠层复合材料层合板，国际上称为GLARE(GLAss-Reinforcealuminum)。参考文献(Vogelesang,L.,DevelopmentofaNewHybridMaterial(ARALL)forAircraftStructure,Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.,1983,pp.492-496)和美国发明专利(US5039571，US5547735和US5219629)都详细研究了FML叠层复合材料层合板的制备方法，力学性能及优点和潜在的应用领域。目前，GLARE已大面积地应用在A380飞机的上机身壳体结构上，是A380飞机材料技术的一个显著的创新点。
纤维金属层合板结合了金属与纤维复合材料的优点，并克服了其大部分的缺点，是一种在航空航天、军事、汽车等高科技领域有巨大应用前景的结构材料。
虽然纤维金属层合板具有一系列优异的性能，但是其金属层与预浸纤维布之间的结合力较弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的纤维金属层合板内金属层与预浸纤维布之间的结合力弱的问题，提供一种纤维金属层合板。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
提供一种纤维金属层合板，包括层叠的金属层和预浸纤维布；其中，所述金属层和预浸纤维布之间还具有嵌入颗粒，所述嵌入颗粒同时嵌入所述金属层和预浸纤维布内。
同时，本发明还提供了上述纤维金属层合板的制备方法，包括如下步骤：
S1、在金属层表面形成熔覆层；所述熔覆层内包括粘结颗粒和嵌入颗粒；所述粘结颗粒材质与所述金属层材质相同；
S2、采用激光照射金属层表面的熔覆层，将所述粘结颗粒融化，得到表面嵌入有嵌入颗粒的金属层；
S3、将预浸处理后的纤维布与所述表面嵌入有嵌入颗粒的金属层层叠，使嵌入颗粒位于金属层和纤维布之间；
S4、对层叠后的金属层和纤维布进行热压处理，使纤维布和金属层结合为一体，得到所述纤维金属层合板。
本发明提供的纤维金属层合板中，金属层表面嵌入有颗粒，同时，该嵌入颗粒嵌入纤维布中，嵌入颗粒可牢固的将纤维层扣合于金属层表面，大大提高了纤维布与金属层之间的结合强度。
附图说明
图1是本发明实施例4提供的纤维金属层合板的剖面结构示意图；
图2是图1中A处局部放大图。
说明书附图中的附图标记如下：
1、金属层；2、预浸纤维布；3、嵌入颗粒。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种纤维金属层合板包括层叠的金属层和预浸纤维布；其中，所述金属层和预浸纤维布之间还具有嵌入颗粒，所述嵌入颗粒同时嵌入所述金属层和预浸纤维布内。
根据本发明，上述金属层的具体材质和结构可采用现有的各种，例如，所述金属层选自铝合金、镁合金、钛合金、铜、铁中的一种。本发明中，优选采用常规的铝合金板。对于上述金属层的厚度，本发明中没有特殊限制，具体可以在较大范围内变动，本领域技术人员可根据实际情况进行调整，优选情况下，所述金属层的厚度为0.1-10mm。
本发明中，不同于现有的，上述金属层表面嵌入有嵌入颗粒。并且该嵌入颗粒仅部分嵌入金属层内，仍有部分凸出于上述金属层表面至外。
对于上述嵌入颗粒，其平均粒径可在较大范围内变动，例如所述嵌入颗粒的平均粒径可以为1-1000μm。为更好的提高纤维金属层合板内金属层和预浸纤维布之间的结合力，优选情况下，所述嵌入颗粒的平均粒径为100-1000μm。
对于上述嵌入颗粒的具体材质，本发明中没有特殊限制，可采用常规的各种无机颗粒，优选采用耐高温的无机颗粒，例如具体可采用石英砂、玻璃粉、陶瓷粉中的一种或多种。
根据本发明，相对于所述金属层表面的面积，所述嵌入颗粒的含量为1-10gg/cm2。
本发明中，预浸纤维布为本领域所公知的，其具体包括纤维布及附着于所述纤维布上的树脂。本发明对上述预浸纤维布及其组成没有特殊限制，例如，所述纤维布选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布中的一种或多种。所述树脂选自环氧树脂、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种。
优选情况下，所述预浸纤维布的厚度为0.01-10mm。
根据本发明，上述纤维金属层合板可以包括多层结构，例如，可以为包括预浸纤维布和两个所述金属层的三层结构；所述预浸纤维布位于所述两个所述金属层之间；所述两个金属层和纤维布之间均具有所述嵌入颗粒。或者，纤维金属层合板还可以为包括两个预浸纤维布和三个所述金属层的五层结构。可以理解的，此时，预浸纤维布和金属层依次层叠，最外层为两层金属层。
在上述结构下，嵌入颗粒部分嵌入于金属层内，部分嵌入于预浸纤维布内。嵌入颗粒将金属层和预浸纤维布相互扣合，大大提高预浸纤维布和金属层之间的结合力。
同时，本发明还提供了上述纤维金属层合板的制备方法，包括如下步骤：
S1、在金属层表面形成熔覆层；所述熔覆层内包括粘结颗粒和嵌入颗粒；所述粘结颗粒材质与所述金属层材质相同；
S2、采用激光照射金属层表面的熔覆层，得到表面嵌入有嵌入颗粒的金属层；
S3、将预浸处理后的纤维布与所述表面嵌入有嵌入颗粒的金属层层叠，使嵌入颗粒位于金属层和纤维布之间；
S4、对层叠后的金属层和纤维布进行热压处理，将粘结树脂固化，使纤维布和金属层结合为一体，得到所述纤维金属层合板。
根据本发明，首先需提供一金属层。如前所述，对于上述金属层，可采用现有的常规金属层，例如其材质可选自铝合金、镁合金、钛合金、铜、铁中的一种。其厚度可在较大范围内变动，优选情况下，所述金属层的厚度为0.1-10mm。
由于金属层为具有一定硬度的固体，为将嵌入颗粒嵌入所述金属层表面，需通过特定步骤进行处理。本发明中，如步骤S1所述，先在金属层表面形成熔覆层。所述熔覆层内包括粘结颗粒和嵌入颗粒。
上述熔覆层中，嵌入颗粒用于在后续熔覆过程中嵌入金属层表面，其具体材质可采用常规的各种无机颗粒，优选采用耐高温的无机颗粒，例如具体可采用石英砂、玻璃粉、陶瓷粉中的一种或多种。
对于上述嵌入颗粒，其平均粒径可在较大范围内变动，例如所述嵌入颗粒的平均粒径可以为1-1000μm。为更好的提高金属层和预浸纤维布之间的结合力，优选情况下，所述嵌入颗粒的平均粒径为100-1000μm。
对于上述粘结颗粒，主要用于在后续激光照射的熔覆过程中熔融，与金属层熔为一体，同时与嵌入颗粒粘结，从而实现嵌入颗粒嵌入金属层。本发明中，上述粘结颗粒材质与金属层材质相同，以便在熔覆过程中与金属层有效的结合。
上述粘结颗粒的平均粒径可在较大范围内变动，其平均粒径可在较大范围内变动，例如所述粘结颗粒的平均粒径可以为1-1000μm。为更好的对嵌入颗粒进行粘结，优选情况下，所述粘结颗粒的平均粒径为100-1000μm。
上述熔覆层中，粘结颗粒和嵌入颗粒的相对含量可在较大范围内变动，为更好的将嵌入颗粒在金属层上固定，从而进一步提高金属层与预浸纤维布之间的结合力，优选情况下，所述熔覆层内粘结颗粒和嵌入颗粒的重量比为1-5:1。
上述步骤S1中，在金属层表面形成熔覆层时，熔覆层的量可根据实际情况，例如金属层表面的面积大小进行相应调整，优选情况下，根据本发明，相对于所述金属层表面的面积，所述嵌入颗粒的含量为1-10g/cm2。
根据本发明，如步骤S2，需对金属层表面的熔覆层进行熔覆处理。本发明中，熔覆处理为采用激光照射上述熔覆层，将其中的粘结颗粒融化，从而将嵌入颗粒粘结并嵌入金属层内。上述激光照射时，针对不同的金属层材质及粘结颗粒材质，激光照射时的具体条件会不同，本发明中，通过激光照射将熔覆层中的粘结颗粒融化，从而将嵌入颗粒粘结并嵌入金属层内即可，其具体条件，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。例如，所述步骤S2中，所述激光照射的方法为：采用光纤激光器，以10-100w的功率照射50-100s。
本发明中，通过上述步骤S2将嵌入颗粒嵌入所述金属层，并冷却后，即可按照常规的方法，将预浸处理后的纤维布与所述表面嵌入有嵌入颗粒的金属层层叠。
对于步骤S3中的预浸纤维布，如本领域所知晓的，其具体包括纤维布及附着于所述纤维布上的树脂。众所周知的，预浸纤维布具体可通过如下方式制备得到，将纤维布在树脂溶液中进行预浸处理。预浸处理的时间可根据所选用的纤维布和树脂溶液的种类进行相应调整。
具体的，本发明中，所述纤维布选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布中的一种或多种，所述树脂选自环氧树脂、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种。
对于上述预浸纤维布，本发明中，优选情况下，其厚度为0.01-10mm。
根据本发明，所述步骤S3中，将预浸处理后的纤维布与所述表面嵌入有嵌入颗粒的金属层层叠后，需使嵌入颗粒位于金属层和纤维布之间。
根据不同的情况，当需要制备具有多层结构的纤维金属层合板时，可依次增加上述金属层和预浸纤维布。例如，当需制备三层结构的纤维金属层合板时，将金属层、预浸纤维布、金属层依次层叠，使金属层表面的嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间，然后热压。当需制备五层结构的纤维金属层合板时，将金属层、预浸纤维布、金属层、预浸纤维布、金属层依次层叠，使金属层表面的嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间，然后热压。
将上述各层层叠后，进行热压处理，将粘结树脂固化，使纤维布和金属层结合为一体，即可得到所述纤维金属层合板。
上述热压方法为本领域所公知的，例如，具体可以为：在100-300℃、0.5-5MPa压力下热压0.1-10min。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的纤维金属层合板及其制备方法。
金属层材质选用铝合金。采用同型号的铝合金加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
纤维布选用厚度为玻璃纤维布。树脂为环氧树脂。将纤维布在树脂溶液中进行预浸处理，形成预浸纤维布。然后将预浸纤维布加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
在上述金属层表面形成包括铝合金颗粒(平均粒径为100μm)和石英砂(平均粒径为200μm)的熔覆层。其中，铝合金颗粒和石英砂的质量比为3：1。以金属层表面面积为基准，在金属层表面形成的熔覆层的量为5g/cm2。
采用光纤激光器，以10w的功率照射上述熔覆层50-100s。使石英砂嵌入金属层表面。
将上述金属层和预浸纤维布层叠，使嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间。然后在100-180℃下，以0.5-1MPa的压力热压1-5min。然后冷却、卸压。
得到拉拔强度测试样品和剪切强度测试样品。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的纤维金属层合板及其制备方法。
金属层材质选用钛合金。采用同型号的钛合金加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
纤维布选用厚度为玻璃纤维布。树脂为酚醛塑料。将纤维布在树脂溶液中进行预浸处理，形成预浸纤维布。然后将预浸纤维布加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
在上述金属层表面形成包括铝合金颗粒(平均粒径为100μm)和玻璃粉(平均粒径为200μm)的熔覆层。其中，铝合金颗粒和玻璃粉的质量比为3：1。以金属层表面面积为基准，在金属层表面形成的熔覆层的量为5g/cm2。
采用光纤激光器，以10w的功率照射上述熔覆层50-100s。使石英砂嵌入金属层表面。
将上述金属层和预浸纤维布层叠，使嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间。然后在100℃下，以0.5-1MPa的压力热压5-10min。然后冷却、卸压。
得到拉拔强度测试样品和剪切强度测试样品。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的纤维金属层合板及其制备方法。
金属层材质选用镁合金。采用同型号的镁合金加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
纤维布选用厚度为玻璃纤维布。树脂为聚酰亚胺。将纤维布在树脂溶液中进行预浸处理，形成预浸纤维布。然后将预浸纤维布加工成测试用拉拔样条和剪切样条，具体尺寸如下：
拉拔样条尺寸：40mm×16mm，厚度：5mm，作用面积：39mm。
剪切样条尺寸：40mm×16mm，厚度：2mm，作用面积：65mm。
在上述金属层表面形成包括铝合金颗粒(平均粒径为100μm)和石英砂(平均粒径为200μm)的熔覆层。其中，铝合金颗粒和石英砂的质量比为3：1。以金属层表面面积为基准，在金属层表面形成的熔覆层的量为5g/cm2。
采用光纤激光器，以10w的功率照射上述熔覆层50-100s。使石英砂嵌入金属层表面。
将上述金属层和预浸纤维布层叠，使嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间。然后在100-120℃下，以0.5-1MPa的压力热压5-10min。然后冷却、卸压。
得到拉拔强度测试样品和剪切强度测试样品。
对比例1
本对比例用于对比说明本发明公开的纤维金属层合板及其制备方法。
选取材料和实施例1相同，未在金属层表面嵌入嵌入颗粒，按实施例1的方法直接将金属层和预浸纤维布热压层合。
得到纤维金属层合板D1。
性能测试
对上述实施例和对比例制备得到的纤维金属层合板进行如下性能测试：
1、拉拔强度测试
采用万能拉拔试验机按照GB/T228.1-2010的标准进行拉拔强度测试；
2、剪切强度测试
采用万能拉拔试验机按照GB/T228.1-2010的标准进行剪切强度测试。
得到的测试结果填入表1。
表1
| 样品 | 拉拔强度(MPa) | 剪切强度(MPa) |
| 实施例1 | 40.56 | 30.68 |
| 实施例2 | 39.78 | 26.56 |
| 实施例3 | 38.95 | 28.78 |
| 实施例1 | 30.18 | 20.16 |
从表1的测试结果可以看出，相比于现有的纤维金属层合板，本发明提供的纤维金属层合板的拉拔强度和剪切强度明显提高，即本发明提供的纤维金属层合板内各层之间的结合力得到了显著提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种纤维金属层合板，其特征在于，包括层叠的金属层和预浸纤维布；
其中，所述金属层和预浸纤维布之间还具有嵌入颗粒，所述嵌入颗粒同时嵌入所述金属层和预浸纤维布内。
2.根据权利要求1所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述嵌入颗粒的平均粒径为1-1000μm。
3.根据权利要求1所述的纤维金属层合板，其特征在于，相对于所述金属层表面的面积，所述嵌入颗粒的含量为1-10g/cm2。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述嵌入颗粒选自石英砂、玻璃粉、陶瓷粉中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述金属层材质选自铝合金、镁合金、钛合金、铜、铁中的一种，所述金属层的厚度为0.1-10mm。
6.根据权利要求1所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述预浸纤维布包括纤维布及附着于所述纤维布上的树脂；
所述纤维布选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布中的一种或多种，所述树脂选自环氧树脂、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1或6所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述预浸纤维布的厚度为0.01-10mm。
8.根据权利要求1-3、5、6中任意一项所述的纤维金属层合板，其特征在于，所述纤维金属层合板包括预浸纤维布和两个所述金属层；所述预浸纤维布位于所述两个所述金属层之间；所述两个金属层和纤维布之间均具有所述嵌入颗粒。
9.如权利要求1所述的纤维金属层合板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在金属层表面形成熔覆层；所述熔覆层内包括粘结颗粒和嵌入颗粒；所述粘结颗粒材质与所述金属层材质相同；
S2、采用激光照射金属层表面的熔覆层，将所述粘结颗粒融化，得到表面嵌入有嵌入颗粒的金属层；
S3、将预浸处理后的纤维布与所述表面嵌入有嵌入颗粒的金属层层叠，使嵌入颗粒位于金属层和纤维布之间；
S4、对层叠后的金属层和纤维布进行热压处理，使纤维布和金属层结合为一体，得到所述纤维金属层合板。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述嵌入颗粒的平均粒径为1-1000μm。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，相对于所述金属层表面的面积，所述嵌入颗粒的含量为1-10g/cm2。
12.根据权利要求9-11中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述熔覆层内粘结颗粒和嵌入颗粒的重量比为1-5:1。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述嵌入颗粒选自石英砂、玻璃粉、陶瓷粉中的一种或多种。
14.根据权利要求9-11、13中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述金属层材质选自铝合金、镁合金、钛合金、铜、铁中的一种；
所述金属层的厚度为0.1-10mm；所述粘结颗粒的平均粒径为1-1000μm。
15.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述激光照射的方法为：采用光纤激光器，以10-100w的功率照射50-100s。
16.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述预浸纤维布包括纤维布及附着于所述纤维布上的树脂；
所述纤维布选自玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布中的一种或多种，所述树脂选自环氧树脂、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种；
所述预浸纤维布的厚度为0.01-10mm。
17.根据权利要求9或16所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，将金属层、预浸纤维布、金属层依次层叠，使金属层表面的嵌入颗粒位于金属层和预浸纤维布之间，然后热压。
18.根据权利要求9-11、13、15、16中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述热压方法为：在100-300℃、0.5-5MPa压力下热压0.1-10min。
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| CN201410698933.2A CN105690915A (zh) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | 一种纤维金属层合板及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160622 |